近日，中国科学院深海科学与工程研究所王吉亮副研究员联合中国地质调查局广州海洋地质调查局张伟正高级工程师、青岛海洋地质研究所李昂副研究员以及中国石油大学（北京）等天然气水合物领域专家，在地球科学国际权威杂志《Earth and Planetary Science Letters》（Nature Index）上发表了题为“Sand encased by fine-grained sediment regulates methane migration through the gas hydrate stability zone”的研究成果。该研究系统分析了南海北部琼东南深水盆地活跃冷泉区甲烷渗漏系统的结构特征与演化规律，为天然气水合物（可燃冰）富集机制和深海冷泉活动碳循环机理提供了全新认识。

冷泉活动是地球系统中跨圈层物质循环和能量交换的重要方式，不仅支撑了独特的化能合成生态系统，其释放的甲烷还会导致海水酸化，并对全球气候变化产生潜在影响。近年研究表明，冷泉活动在深海环境（水深 > 500 m）中广泛发育。在细粒泥质沉积为主的深海浅地层，常发育水道砂体，形成“泥包砂”沉积结构。此类砂层的存在显著改变了地层的渗透性，促使流体超压扩散，并导致高饱和度天然气水合物的富集，对冷泉活动规律与天然气水合物资源勘查具有重要影响。然而，在天然气水合物稳定带内，“泥包砂”地层控制甲烷渗漏的具体机制及其与天然气水合物富集过程之间的成因联系，目前仍存在较大认知空白。

针对上述问题，该研究在琼东南深水盆地松南低凸起一处活跃的甲烷渗漏区发现了一个12.5米厚的砂层，其中富含天然气水合物（图1a）。三维地震数据图像清晰显示，这里存在两个巨大的气烟囱：一个位于砂层下方，另一个则从砂层直通海底(图1b)。下方的气烟囱负责“供气”，其顶部与砂层接触处呈现出显著的地震异常，表明它正在向上方的砂层输运甲烷。上方的烟囱负责“排气”，它像一根导管，将砂层中的气体源源不断地输送至海底，形成冷泉渗漏。

图1. （a）W01站位测井数据。 图中方框（Unit A和B）为富含水合物的砂层，砂层上下泥岩层中发育高角度裂隙，砂层中未发现垂向裂隙。（b）过W01地震剖面。 S1和S1-1分别为砂层的顶界面和底界面，砂层上下分别发育两个气烟囱。

研究发现，砂层在整个过程中扮演了极其重要的角色（图2）：（1）捕获与富集：砂层首先拦截了下伏气体烟囱的向上延伸，并将深部迁移来的甲烷气体“捕获”在自己体内。在高压低温的环境下，这些气体与水结合形成可燃冰，富集于砂层的孔隙中。（2）阻碍与增压：天然气水合物往往差异聚集，它们会优先在某些部位大量生成，堵塞砂层的孔隙，形成“自封盖”效应。此时，后续源源不断的甲烷气体被封堵在下部，导致其压力逐渐积聚。（3）水力压裂与逃逸：当被封闭的气体压力（超压）大到足以突破上覆泥质盖层的束缚时，便会在上覆泥岩盖层中发生二次水力压裂。这股强大的压力会突破上覆的细粒低渗沉积物，形成一个新的、直达海底的气体烟囱，从而开启新一轮的气体逃逸和冷泉活动。

图2. 富甲烷超压流体在“泥包砂”地层垂向运移的演化过程

该研究还表明上覆泥层中二次水力压裂的发生，须具备特定的超压与气体供给条件（图3）。当较低的甲烷通量在进入砂层后迅速形成天然气水合物，导致孔隙堵塞、渗透率降低，从而引发自封闭效应。该过程抑制了气体向上部的输运，致使砂层顶界孔隙压力无法有效累积至破裂压力临界值。这一机制很好地解释了实际地质现象：尽管部分砂层下伏气烟囱结构发育，但其对应上覆地层中并未形成贯穿至海底的气体逸出路径。原因在于低通量条件下气体运移路径被天然气水合物阻断，超压体系未能充分发育，达不到泥岩破裂所需的最小压力条件。

图3. “泥包砂”地层中控制冷泉渗漏与天然气水合物富集的动态演化模型

该成果对深化天然气水合物成藏理论和深海冷泉活动性认识具有重要意义，同时也为理解全球深部碳循环过程提供了关键科学支撑。论文第一作者为中国科学院深海科学与工程研究所王吉亮副研究员，通讯作者为中国地质调查局广州海洋地质调查局张伟正高级工程师。该研究受海南省国际合作研发专项、国家自然科学基金、海南省“南海新星”项目、崖州湾科技城专项和天然气水合物勘查开发国家工程中心项目的共同资助。

论文信息：Jiliang Wang, Ang Li, Wei Zhang*, Jin Sun, Jiecheng Zhang, Xueqing Zhou, Shiguo Wu. Sand encased by fine-grained sediment regulates methane migration through the gas hydrate stability zone, Earth and Planetary Science Letters, Volume 669, 2025, 119595.

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X25003930